優(yōu)化汽車應用的功率電感器

金屬復合技術將電感器性能提升到一個新的水平，以滿足車輛系統(tǒng)電氣化小型化需求

符合汽車標準的電感器利用金屬復合核心技術可為設計人員提供更好的磁導率和飽和特性，從而為當今汽車上越來越多的車載 ECU 提供穩(wěn)定、可靠和節(jié)能的濾波和電流平滑。

汽車電氣化是無情的，用更經(jīng)濟、更輕便的電氣等效物取代機械和液壓子系統(tǒng)，引入更智能的安全和輔助系統(tǒng)，并使用更可靠、靈活、和適應性。隨著 V2X 通信的加入，以及政府禁止銷售新型化石燃料汽車的計劃鞏固了向電力驅(qū)動的過渡，汽車將成為可能接管自動駕駛和而是娛樂而不是。

為革命提供動力

在電氣化趨勢開始時，第一款集成單個電子控制單元 （ECU） 的高端汽車將擁有每秒數(shù)千次重新優(yōu)化發(fā)動機供油的能力。世界為之驚嘆。然而，如今，一輛高端汽車可能包含 50 到 100 個以上的 ECU、域控制器和機電模塊，用于管理車上眾多的車身電子、動力傳動系統(tǒng)、安全性、舒適性和信息娛樂系統(tǒng)，而且這個數(shù)字還在繼續(xù)上升。Fortune Business Insights 預測，到 2026 年，汽車 ECU 市場總價值將達到 129.2 億美元，未來七年的平均復合年增長率為 11.9%。

這些 ECU 需要針對汽車環(huán)境中常見的危險提供保護，例如電氣瞬變、來自其他電子設備的干擾和持續(xù)高溫。它從電源開始，它必須在存在干擾的情況下提供穩(wěn)定的電源軌?？梢酝ㄟ^仔細選擇輸入和輸出電感等組件來增強性能。首先，電感值應該在整個工作溫度和電流范圍內(nèi)保持穩(wěn)定。其次，需要低直流電阻和磁芯損耗以最大限度地減少功耗和自熱，這些損耗會降低能效并使熱管理復雜化。

傳統(tǒng)的鐵氧體磁芯電感器難以滿足所有理想。雖然鐵氧體材料具有高磁導率，允許低 DCR 和磁芯損耗，但在高溫下磁導率會降低，并且器件電感在電流值高于飽和閾值時急劇下降。飽和電流也與溫度有關。在不犧牲 DCR 和磁芯損耗性能的情況下，需要進行改進以實現(xiàn)更低的漏磁和更平滑的飽和特性。

改進電感技術

金屬復合磁芯材料經(jīng)過精心設計，可在高溫和寬電流范圍內(nèi)提供卓越的性能。與鐵氧體不同，鐵氧體本質(zhì)上是包含各種金屬氧化物的燒制陶瓷材料，這種新型磁性材料由硅絕緣鐵粉顆粒制成，這些顆粒與粘合劑混合并壓制成最終的磁芯形狀。鐵粉具有固有的分布式氣隙，與鐵氧體相比，它更能減少由交替磁通方向引起的磁滯損耗。這允許更高的直流電流水平在飽和之前流過電感器。此外，飽和特性更平滑且不那么突然。此外，飽和度和磁導率在溫度范圍內(nèi)都更加穩(wěn)定。

圖 1 比較了鐵氧體和金屬復合磁芯電感器的飽和特性，顯示當鐵氧體磁芯電感器中的電流超過飽和閾值時，電感會突然降低。還顯示了閾值隨溫度升高的變化。相比之下，金屬復合電感器顯示出大大降低的溫度依賴性和更平滑的飽和特性。在下面的這個例子中，標稱電感是相同的，并顯示了直流電流的一般行為，這也適用于瞬態(tài)電流。

圖 1：金屬復合材料表現(xiàn)出更平滑的飽和度和更低的溫度依賴性。

這些電感器具有更平滑的飽和特性，使 DC/DC 開關電源能夠在很寬的溫度范圍內(nèi)保持穩(wěn)定性并處理大負載瞬變或高浪涌條件，因此非常適合用于汽車 ECU。對于鐵氧體電感器，如果電流足夠高且高于飽和，則這些負載瞬變將在沒有濾波的情況下漏掉。

汽車電感特性

KEMET 的 MPXV 電感器等設備包括一個銅線圈，該線圈端接于一個大的可焊墊并封裝在模制的外部金屬復合芯中。

外部內(nèi)核有利于 EMI 屏蔽，使電源能夠降低系統(tǒng)噪聲。類似的非屏蔽鐵氧體磁芯電感器具有更大的 EMI 特征，如圖 3 中的比較所示。屏蔽鐵氧體磁芯電感器可以顯示較低的 EMI 輻射，但代價是尺寸增加和飽和電流值降低。

圖 3：鐵氧體和金屬復合電感器的電磁輻射比較

導線和引線框架的磁導率特性與低歐姆特性的結(jié)合使電感器具有低 DCR。此外，KEMET 金屬復合磁芯材料的特性可最大限度地減少較高電源開關頻率下的磁滯損耗、渦流損耗和邊緣損耗。Q 因子通常是衡量總損耗的一個很好的指標，因為它將阻抗與電阻與頻率相關聯(lián)（越高越好）。組裝的鐵氧體電感器在較低頻率范圍內(nèi)具有“最佳位置”，而 METCOM 電感器最好在 800kHz 以后使用（圖 4）。

圖 4：磁芯損耗比較

總之，通過 KEMET 獨特的材料開發(fā)和生產(chǎn)能力實現(xiàn)的低磁芯損耗和低 DCR 的綜合效果使電源能夠提供更高的能源效率和更低的自發(fā)熱，以及卓越的穩(wěn)定性。由于需要管理的多余熱量更少，設計人員可以簡化其 ECU 的熱設計，利用更小的組件以及更低的材料清單和工程成本。

MPXV 系列電感器是符合 AEC-Q200 汽車標準的表面貼裝器件，電感值范圍為 0.10μH 至 100.00μH。除了滿足 AEC-Q200 要求外，這些設備還通過了歐盟 RoHS：2011/65/EU 和 （EU）2015/863。這些部件采用薄型屏蔽結(jié)構，可用于空間受限的場所。高耐腐蝕性是對汽車設計師有吸引力的另一個屬性。

電感器參數(shù)的額定溫度最高可達 155°C，并且在機械方面也很穩(wěn)健，可抵抗高達 30G 的沖擊和振動。此外，它們的低噪音允許在車輛的所有區(qū)域，從引擎蓋下到駕駛室內(nèi)，就像在電動汽車中一樣，來自內(nèi)燃機的整體噪音消失了，其他聲音更容易被發(fā)現(xiàn)，因此設計師花更多的精力減少駕駛時的聲音干擾。

結(jié)論

金屬復合磁芯電感器提供改進的磁性能，可提高穩(wěn)定性和能源效率，并具有低電氣和聲學噪聲的附加優(yōu)勢，是 LED 前照燈、儀表組面板、平視顯示器等汽車應用電源的最佳選擇、電動水泵和油泵以及電動助力轉(zhuǎn)向。因此，它們可以幫助推動正在進行的電氣化進程，幫助向當今和未來汽車上越來越多的 ECU 提供穩(wěn)定高效的電力。

此外，它們具有高機械彈性、耐高溫能力和主要參數(shù)的最小溫度依賴性，因此它們也適用于其他工業(yè)、商業(yè)和高端消費場景中的高可靠性應用。

審核編輯：郭婷